Informe Sobre Filtracion 2u583r

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS (403)

INFORME # 2 FILTRACIÓN

ALUMNA: KATHERINE CHILIQUINGA CASTILLO PROFESORA: ING. MARIANA NAVARRO. PARALELO: B AÑO LECTIVO: 2015- 2016 1

ÍNDICE INTRODUCCION OBJETIVO GENERAL OBJETIVO ESPECIFICO MARCO TEORICO CUESTIONARIO PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA EQUIPOS Y MATERIALES TABLAS CÁLCULOS RESULTADOS ANALISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES NOMENCLATURA BIBLIOGRAFIA APENDICE

2

INTRODUCCION En el presente informe se describe la práctica de filtración, operación unitaria que se debe estudiar porque desempeña un papel muy importante dentro de los proceso de SEPARACION de soluciones. Está operación permite que componente y/o insumos estén perfectamente homogéneos se va a separar su parte sólida, va a depender mucho las característica funcionales del equipo (medio filtrante) el cual debe ajustarse según la operación, o rediseñar otro que pueda llevarla a cabo, la potencia de su motor, el diámetro tanto de la torta como del marco va proporcionar los aspectos a considerar al momento de empezar a filtrar. Consiste básicamente en separar la parte líquida de un sólido a través de una diferencia de presión y fuerzas impulsoras aplicadas sobre este Sólido-Líquido, en el cual se utilizara el equipo de Filtro Prensa. El proceso de filtrado es muy importante y ampliamente utilizado en la industria. La filtración como Operación Unitaria usada industrialmente tiene varios tipos o clasificación dependiendo de lo que se está separando. Existen la filtración por clarificación, la filtración por torta y las microfiltraciones y ultrafiltraciones. La filtración por torta es la que este trabajo abarca, resaltándose su concepto y diferenciándola de los otros tipos. Se especifica la forma de cómo se dan estas filtraciones por torta en los equipos que son filtración a Presión Constante y Filtración a Velocidad constante formulando para cada una las ecuaciones matemáticas a utilizar en el cálculo de sus parámetros de diseño. Asimismo, se explica la metodología para la realización de los problemas de filtración por torta. En los diferentes procesos de producción de alimentos, se presenta la necesidad de separar los componentes de una mezcla en fracciones, para de esta manera poder describir los sólidos divididos y predecir sus características.

OBJETIVO GENERAL Analizar mediante un equipo de filtración (en este caso filtro prensa) la separación que existe de la fase sólida en suspensión contenida en el seno de un líquido, utilizando el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería Química

OBJETIVOS ESPECIFICOS 



Separar los sólidos de CaCO 3 de la solución mediante la filtración y determinar experimentalmente las diferentes variables que afectan al proceso, empleando como medio filtrante papel filtro. Obtener el tiempo ficticio de filtración. 3

MARCO TEÓRICO CUESTIONARIO 1. Haga un resumen de los tipos de filtro. 

Filtros de torta.



Filtros de presión discontinuos.



Filtro prensa.



Filtro de carcasa y hojas.



Filtro de banda automático.



Filtro discontinuos a vacío.



Filtro continuo a vacío.

       

Filtro de tambor rotatorio. Filtro a presión rotatorio de tambor. Filtro de recubrimiento previo. Filtro de banda horizontal. Filtración centrífuga. Centrífugas discontinuos suspendidas. Centrífugas automáticas discontinuas. Centrifugas continuas de filtración.

2. Cuáles son las variables que afectan el proceso de filtración. Explique cada uno.  LA CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS. El total de sólidos disueltos (TDS) es una medida del contenido combinado de todas las sustancias inorgánicas y orgánicas contenidas en un líquido en forma molecular, ionizada o en forma de suspensión micro-granular (sol coloide). En general, la definición operativa es que los sólidos deben ser lo suficientemente pequeño como para sobrevivir filtración a través de un filtro con poros de micrómetros (tamaño nominal, o más pequeño). El total de sólidos disueltos se diferencia del total de sólidos en suspensión (TSS), ya que este último se compone de sustancias que no pueden pasar a través de un filtro de dos micrómetros, aunque estas sean también suspendidas indefinidamente en una solución líquida. El término "sólidos sedimentables" se refiere a materiales de 4

cualquier tamaño que no se mantienen suspendidos o disueltos en un tanque de retención que no está sujeto a movimiento, y por lo tanto excluye TDS y TSS. Sólidos sedimentables pueden incluir partículas grandes o moléculas insolubles.  TAMAÑO DE LA PARTÍCULA Wilhelm Ostwald distingue tres tipos de mezclas según el tamaño de las partículas de soluto en la disolución:  Dispersiones, suspensiones o falsas disoluciones: cuando el diámetro de las partículas de soluto excede de 0,1 μm.  Dispersoides, coloides: el tamaño está entre 0,001 μm y 0,1 μm.  Dispérsidos o disoluciones verdaderas: el tamaño es menor a 0,001 μm. 

LA TEMPERATURA

Por lo general la solubilidad varía con la temperatura. En la mayoría de las sustancias, un incremento de la temperatura causa un aumento de la solubilidad. Por eso el azúcar se disuelve mejor en café caliente, y la leche debe de estar en el punto de ebullición. En relación con la temperatura, los gases disueltos en líquidos se comportan de forma inversa a como lo hacen los sólidos. La solubilidad de un gas en agua decrece a medida que aumenta la temperatura; esto significa que la solubilidad y la temperatura son inversamente proporcionales. Los gases disueltos en agua potable (oxigeno, cloro y nitrógeno) son las pequeñas burbujas que aparecen cuando él liquido se calienta y aún no llega al punto de ebullición. Cuando el agua hierve queda totalmente desgasificada, por lo cual su sabor es distinto del que posee el agua sin hervir, por ello se recomienda airear esta agua antes de beberla.  EL PH, LA DENSIDAD Y LA VISCOSIDAD A pesar de que muchos potenciómetros tienen escalas con valores que van desde 1 hasta 14, los valores de pH también pueden ser aún menores que 1 o aún mayores que 14. Por ejemplo el ácido de batería de automóviles tiene valores cercanos de pH menores que uno. Por contraste, el hidróxido de sodio 1 M varía de 13,5 a 14.A 25 °C, un pH igual a 7 es neutro, uno menor que 7 es ácido, y si es mayor que 7 es básico. A distintas temperaturas, el valor de pH neutro puede variar debido a la constante de equilibrio del agua (kw).La determinación del pH es uno de los procedimientos analíticos más importantes y más usados en ciencias tales como química, bioquímica y química de suelos. La temperatura, y en los cambios de estado. En particular se ha establecido empíricamente: Cuando aumenta la presión, la densidad de cualquier material estable 5

también aumenta. Como regla general, al aumentar la temperatura, la densidad disminuye (si la presión permanece constante). Sin embargo, existen notables excepciones a esta regla. Por ejemplo, la densidad del agua dulce crece entre el punto de fusión (a 0 °C) y los 4 °C; algo similar ocurre con el silicio a bajas temperaturas. En general, la densidad de una sustancia varía cuando cambia la presión o Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante o como los plásticos de Bingham.

3. Cuáles son las variables de diseño.

 ÁREA DE FILTRACIÓN. La teoría señala que, considerando aparte las características del medio filtrante, el caudal que entra es igual al caudal que sale (Ecuación de Continuidad).Como resultado de estas dos variables conjuntas, para una misma cantidad de fluido a filtrar se observará que su caudal es inversamente proporcional al cuadrado del espesor de la torta al final del proceso. Esta observación conlleva que la máxima productividad se alcanza teóricamente con aquellas tortas de espesor muy fino cuya resistencia supera a la del medio mismo filtrante. Sin embargo, otros factores como el tiempo para regenerar la torta, su dificultad de descarga y el coste de una superficie filtrante más amplia explica que en la práctica se prefiera trabajar en condiciones de tortas espesas.  CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DEL FILTRO La mayoría de los casos, la compresibilidad de la torta de filtración se encuentra entre valores de 0,1 y 0,8 de manera que la mayor parte del aumento de la pérdida de carga del fluido es consecuencia del medio filtrante. En general, si el aumento de presión conlleva un aumento significativo del caudal o velocidad de filtración, es un indicio de la formación de una torta granulada. En cambio, para las tortas espesas o muy finas, un aumento de la presión de bombeo no resulta en un aumento significativo del caudal de filtrado. En otro caso, la torta se caracteriza por una presión crítica por encima de la cual, la velocidad de filtración incluso disminuye. En la práctica, se prefiere operar a un velocidad constante, empezando a baja presión, aunque por el empleo generalizado de sistemas de bombeo centrífugos, las condiciones habituales son de presión y caudal variables.  RESISTENCIA DEL MEDIO FILTRANTE La variedad de tipos de medios porosos utilizados como medios filtrantes es muy diversa, en forma de telas y fibras tejidas, fieltros y fibras no tejidas, sólidos porosos o perforados, membranas poliméricas o sólidos particulados, a lo que se suma la gran variedad de materiales: fibras naturales, fibras sintéticas, materiales 6

metálicos, materiales cerámicos y polímeros. El efecto de la viscosidad es como lo indican las ecuaciones de velocidad; la velocidad de flujo de filtrado en cualquier instante es inversamente proporcional a viscosidad de filtrado. El efecto de la temperatura sobre la velocidad de filtración de sólidos incompresibles es evidente, sobre todo, mediante su efecto sobre la viscosidad. 

FLUJO DE FILTRADO

El flujo del medio filtrante es el elemento fundamental para la práctica de la filtración y su elección es, habitualmente, la consideración más importante para garantizar el funcionamiento del proceso. En general, entre los principales criterios de selección del material de medio filtrante, se pueden destacar:  Compatibilidad y resistencia química con la mezcla  Permeabilidad al fluido y resistencia a las presiones de filtración  Capacidad en la retención de sólidos  Adaptación al equipo de filtración y mantenimiento  Relación vida útil y coste  CANTIDAD DE SÓLIDOS RETENIDOS El efecto del tamaño de las partículas sobre la resistencia de la torta y la tela es muy notable. Afectan al coeficiente en la ecuación para la resistencia de la torta, y los cambios mayores afectan la compresibilidad.  HUMEDAD DE LA TORTA Todas las ecuaciones de la filtración vienen dadas en función de C, la concentración en base al volumen de filtrado por lo que si dan el dato de Cs se debe cambiar con la formula arriba mostrada. Para utilizar la formula, darán la humedad de la torta en base húmeda o en base seca, dependiendo de esto los valores de mf y mc se buscan de la siguiente forma: Humedad en base húmeda Mf 1

mc 1 –( % humedad/ 100)

100

100 - %humedad Humedad en base seca

Mc 1

Mf 1 + (%humedad / 100)

100

100 + %humedad

7



TIEMPO DE LAVADO

Para lavar el material soluble que pueda quedar retenido por la torta de filtración se utiliza un disolvente miscible con el filtrado. El agua es el líquido de lavado más común. Son importantes en el diseño y operación de un filtro la velocidad de flujo del líquido de lavado y el volumen de líquido que se requiere para reducir el contenido de soluto en la torta hasta un grado deseado. Aunque son aplicables los principios generales que se comentan a continuación. Las preguntas no pueden resolverse por completo sin experimentación. El volumen del líquido de lavado que se requiere está relacionado con la evolución concentración-tiempo del líquido de lavado que abandona el filtro. Durante la primera parte del periodo de lavado la concentración es casi constante. El efluente consiste básicamente en el filtrado que ha quedado sobre el filtro y que es desplazado por el líquido de lavado sin una dilución apreciable. Esta etapa de lavado que recibe el nombre de lavado por desplazamiento. Es el método ideal para lavar una torta. Bajo condiciones favorables donde el tamaño de las partículas de la torta es pequeño. Es posible recuperar hasta 90% del soluto contenido en la torta durante esta etapa. El volumen del líquido de lavado que se requiere para un lavado por desplazamiento es igual al volumen de filtrado que ha quedado retenido en la torta. Donde L es el espesor de la torta y é es la porosidad media de la torta. La segunda etapa de lavado se caracteriza por un rápido descenso de la concentración del efluente. El volumen del líquido de lavado utilizado en esta etapa es del mismo orden de magnitud que el usado en la primera etapa. En la tercera etapa la concentración del soluto en el efluente es baja. Y el soluto restante es lixiviado lentamente de la torta. Si se utiliza suficiente líquido de lavado es posible reducir hasta cualquier valor deseado el contenido de soluto residual en la torta. Pero el lavado deberá interrumpirse cuando el valor del soluto no recuperado sea inferior al costo de recuperarlo. 4. COMO INTERPRETA LAS GRÁFICAS DE V VS Θ Y LA DE ΔΘ/ ΔV VS ΔV

8

PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA 1. Preparar la solución a filtrar.  Pesar 40 lbs de agua  Pesar 5 lbs de Carbonato de Calcio  Preparar la suspensión 2. Alimentar la solución al tanque mezclador. 3. Preparar el filtro prensa colocando el medio filtrante y los marcos y platos adecuadamente. 4. Poner en marcha el mezclador “AGITACIÓN MANUAL” 5. Poner en marcha el filtro prensa con el encendido de la bomba. 6. Abrir la válvula #1 de alimentación al filtro. 7. Abrir la válvula # 2 y #3 y #4 de salida del filtrado. 8. Con Válvula #5 regula la presión de trabajo. 9. Se registra el tiempo que tarda en recoger cada litro de filtrado. 10. Agotada la capacidad del filtro cuando ya no sale filtrado. Se abre el filtro, se retira la torta humedad después de 10 minutos, y se pesa la torta. 11. Se toma la temperatura del filtrado para determinar su densidad y viscosidad 12. Se determina el peso de torta seca y su densidad.

EQUIPO Y MATERIALES Filtro Prensa de placas y marcos: este equipo es utilizado para separar soluciones que contengan partículas sólidas y liquidas.

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Tanque Agitador: este equipo se lo utiliza para mezclar la solución y que esta se haga homogénea antes de someterla a la filtración. Carbonato de Calcio (soluto): utilizado para la filtración diluido en agua Agua ( solvente ): liquido que debe ser filtrado. Papel filtrante (Membrana): retiene las partículas solidas y se utiliza como medio filtrante. Envase: se utiliza para recoger el líquido futrado. Cronometro: utilizado para tomar el tiempo de llenado del envase con el filtrado. Manómetro: utilizado para tomar la presión a la que se está llevándose el proceso de filtración.

TABLAS

10

DATOS EXPERIMENTALES Agua

34

DATOS PROPORCIONADOS

Carbonato de calcio Densidad de carbonato Torta húmeda (con placa y marco)de calcio Torta húmeda (con marco) Viscosidad Torta seca

libras

4,5 2630 6,2

libras kg/m3 libras

4 0,0008 1,6 5

libras N*s/m2 libras

Torta húmeda

2.5876

libras

Altura de la torta

0,194

m

0,1935

m

0,025

m

Ancho de la torta

Volum Tiempo de Espesor de la torta en Lts 0.1 0.2 0.3

Filtrado θ Seg 1.8 2.4 4.6

0.4

8.2

0.5

13.4

0.6

22.4

0.7

36.6

V

2

ΔV

Δθ 0,026 ΔV/Δθ m

radio de la esquina de la torta

324 625 115 6 230 4 324 9 422 5 656 1

0.1 0.1 0.1

1.8 1.3 2.2

18 25 34

0.1

3.6

48

0.1

5.3

57

0.1

9.0

65

0.1

14.2

81

CÁLCULOS Datos para la Densidad h  0,094 m b  0,0935 m L  0,026m Volumen

del

Hallando Densidad de la torta:

cubo

V  B xh x L V  (0,0935m) x (0,094m) x (0,026m) 4

V  2,28 x10 m 3

11

Peso torta  1.6lb Peso torta  0,72575ki log ramos

Densidad de la Torta



0.72575 Ki log ramos masa  4 volumen 2,28 x10 m 3

  3183,1140 Kgmasa 3 m

Hallando Área de filtrado:

12

Área de lacircufer encia   r 2 Área de lacircufer encia (3.14cm) x  2.5cm 

2

Área de lacircufer encia  19.62cm 2 Área del Re c tan gulo  B x h Área del Re c tan gulo  14.6 x 14.7  Área del Re c tan gulo  214.62 cm 2

Área Total de filtrado  ( Área del rec tan gulo )  ( Área de la circuferen cia )





Área Total de filtrado  214.62cm 2  ( 19.63cm 2 ) Área Total de filtrado  194.99cm 2

Área de filtrado por 4. Porque usamos 4 papel filtro y este corresponde a un área de filtrado ya que existe 2 platos fijos y 2 móviles.

Área Total de filtrado  ( 194.99 ) x 4 Área Total de filtrado  779.96cm 2

Hallando ΔP La presión inicial es 1 atm ya que trabajamos a la presión atmosférica y la presión final es 2 Psi marcada en el manómetro del filtro prensa.

13

PO  1 atm x

1.013 x10 5 N / m 2  1.013 x10 5 N / m 2 1 atm

6894,75 N / m 2 Pf  2 Psi x  13789,5 N / m 2 1 Psi

P  Pf  PO P  (13789,5 N / m 2 )  (1.013 x10 5 N / m 2 ) P  87510,5 N / m 2

Hallando M (Concentración de Carbonato de calcio).

M

Peso de Torta Humeda Peso de la Torta Seca

M

2,5876 lb  1.6172 1.6 lb

Hallando “w” Fracción en peso de sólidos en suspensión

14

w

4,5 libras de CaCO3 34 libras de agua  4,5 libras de CaCO3 w  0.1168

Hallando “K” (Constante de Ruth) De la grafica

Hallar pendiente m

y 2  y1 81  34  x 2  x1 74

m  16

seg litros 2 .

Dados

que :

y 2  81 y1  34 x2  7 x1  4

Intercepto  41 seg / litros

Obteniendo “K”

2 2 lit 2 K   0.125 m 16 seg / lit 2 seg

K  0.125

6 m6 lit 2 7 m x  1 . 25 x 10 seg 1000000 lit 2 seg

15

Convirtiendo gc de horas a segundo;

kg masa g c  127 x 10 m kg fuerza * hr 2 6



 1 hora  x 3600 segundos  

2

 9.8m

kg masa kg fuerza * seg 2

Reemplazar Datos en la Ecuación de Ruth Hallamos la Resistencia específica de la torta

2 * A 2 g 1 w C   K w



mKgm   N  x 87510,5 x1  1,6172 * 0,1168     2 2 Kgf seg   m   6  Kgm   N , seg    7 m   0.1168 3183,1140 x 0 . 00085 1 . 25 x 10    seg  m3   m2 

2(0.0779m 2 )2 x 9.8

 

  

  2,13 x1011





m Kgf

16

Hallando Porosidad media

TORTA CaCO 3

F  1

 3183,1140 kg

F  1 



m9   25876 kg  m9  

F  0,1230

Hallando Volumen Ficticio

seg   bXK  41 lit  lit VF   X 0.125  2 2 seg     V F  2,5625 litros segundos

Hallando tiempo ficticio

17

V  V F  2

 K (   F )

 2  2,5625  2 litros seg   

0.125 litros

20,8164  13,5   0.125  F 

 108 seg    F

seg 

20,8164  13,5  0.125  F 7,3164 0.125  F  58.5312

F 

seg

 F  58,5312segundos x

1 min utos  0,9755 min utos 60 segundos

18

RESULTADOS

TABLA DE RESULTADOS Graficar V vs Graficar V2 vs Graficar

Grafica # 1

Ѳ

Grafica # 2

Ѳ

ΔѲ ⁄ ΔV

vs V

Grafica # 3

Intercepto

56 segundos / litros

Pendiente

30 segundos / litros

Constante k de la ecuación Ruth

0,06667 litros / segundos

Volumen ficticio de filtrado

1,8668 litros / segundos

Tiempo ficticio de la ecuación de Ruth Resistencia especifica de la torta

56.27 segundos o 0.93 minutos

Porosidad Media

0,5530

1.35× 1012 m/Kgf

ANÁLISIS DE RESULTADOS. 

Analizando los resultados obtenidos podemos concluir que la velocidad media del fluido fue menor debido a que trabajamos a presión constante. 12

1.35× 10



La resistencia específica fue

m/Kgf, aumentaba según fuese el



espesor de la torta. La porosidad media fue 0,5530 lo que nos indica que no fue tan alta, dando un



55,30%; esto es debido a la cantidad de agua contenida en la torta. La pendiente y el intercepto lo obtuvimos de nuestra grafica #3 ΔѲ ⁄ ΔV vs V. 19



En la ecuación de Ruth debemos tener muy claro las unidades de cada una de las variables y así no equivocarnos.

CONCLUSIONES En esta práctica concluimos que la presión de trabajo en el filtro prensa varia a medida que el volumen fue subiendo. También concluimos que la torta que se formó al final de la práctica es una torta compresible debido a que estaba formada por partículas sólidas flexibles, blandas y la resistencia al flujo depende de la caída de presión y vario a lo largo de la torta. Nos dio un filtrado claro eso significa que el equipo que utilizamos es el correcto para filtrar una solución de agua y carbonato de calcio debido a que el tamaño de sus partículas fueron retenida por el medio filtrante utilizado y la sustancia a filtrar era químicamente inerte y no toxica. Conocimos los principios básicos de la filtración y su empleo como operación unitaria en la industria. Comprendimos el funcionamiento y las partes del filtro prensa del laboratorio de operaciones unitarias.

RECOMENDACIONES    

 

Manipular adecuadamente cada una de las válvulas de paso del equipo de filtración. Tener mucho cuidado al manipular la bomba. La agitación del tanque no debería ser manual, implementar un agitador para que el mezclado sea homogéneo. Se recomienda elaborar una buena membrana filtrante, que este acorde a las medidas de las placas y de los marcos y que este bien ubicada en la cámara de filtración en medio de las placas y los marcos. Realizar una buena mezcla antes de introducirlo al sistema de filtración. Abrir la llave de recirculación de fluido antes de comenzar a alimentar a la cámara de filtración ya que así evitamos que las líneas de alimentación se taponen por incrustaciones

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NOMENCLATURA SIMBOL O ρ ρ

torta CO3Ca

DESCRIPCIÓN Densidad de la torta Densidad del Carbonato de Calcio.

μ

Viscosidad

α

Resistencia especifica de la torta

Mw

Peso total húmeda/ Peso torta seca.

W

Fracción en peso de sólidos en suspensión (0,11)

∆P

Diferencia de presión a través del lecho (kgf/m2)

gc

Constante dimensional 127 * 106 ( m Kg/Kgfh2)

F

Porosidad media

A

Superficie de filtración en m2

k

m

Constante, están todas las características del líquido y del solido que componen el líquido turbio que intervienen en el proceso. Pendiente de la gráfica

b

Intercepto de la gráfica

Vf

Volumen ficticio del filtrado

θf

Tiempo necesario para que se produzca la torta ficticia

BIBLIOGRAFÍA McCabe, Smith, Harriot. 2005. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. México: Mc Graw Hill. 21

APENDICE GRAFICAS

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